性能优化4-Sprite颜色数据去除

前言

Sprite是游戏内容的一个基本组成元素,包括ui、道具、立绘等各种地方都会用到。大部分情况下美术会帮我们调好图片颜色,我们只要把图片直接放到游戏里就行了。Sprite默认的渲染顶点数据中包含了颜色数据,由于我们并不需要去修改颜色,某些情况下这似乎是一个不必要的东西。

去年底的时候,由于希望在性能优化方面做一些研究,在论坛找到了江南百景图研发负责人的技术分享文章,其中提到:

优化 Shader 的输入数据

由于《江南百景图》的图片资源中不会用到 Color 这个属性,因此在材质中,我们将原有的 Color 数据去除掉。

将原有的 Color 数据去除掉。用来存放项目中所需要的其它信息,这样做可以减少 CPU 与 GPU 互相传输的数据量。

本文参照文章中的思路实现了这个优化。

开发环境

浏览器:Chrome
开发语言:JavaScript
引擎版本:CocosCreator 2.4.3

词语缩写对照

分享文章:《江南百景图》的分享文章
顶点格式:顶点数据格式。

研究过程

按照思路,需要改动Sprite渲染相关代码,以及修改对应的材质。

翻源码找出,Sprite对应的assembler是SimpleSpriteAssembler(渲染模式为simple时)
源码位于:cocos2d\core\renderer\webgl\assemblers\sprite\2d\simple.js
其继承关系为:cc.Assembler->cc.Assembler2D->SimpleSpriteAssembler。

缕清关系后,我们要找出顶点数据格式是在哪定义的。assembler用于填充顶点数据,所以我们到Assembler.js中找找。

import { vfmtPosUvColor } from './webgl/vertex-format';
export default class Assembler {
    getVfmt () {
        return vfmtPosUvColor;
    }
}

找到了!默认顶点格式就是这个vfmtPosUvColor

var vfmtPosUvColor = new gfx.VertexFormat([
    { name: gfx.ATTR_POSITION, type: gfx.ATTR_TYPE_FLOAT32, num: 2 },
    { name: gfx.ATTR_UV0, type: gfx.ATTR_TYPE_FLOAT32, num: 2 },
    { name: gfx.ATTR_COLOR, type: gfx.ATTR_TYPE_UINT8, num: 4, normalize: true },
]);

从vfmtPosUvColor的定义可以看出,顶点数据中含有三个数据(括号里的英文对应材质中的输入变量名):

  1. ATTR_POSITION(a_position 位置)
  2. ATTR_UV0(a_uv0 uv)
  3. ATTR_COLOR(a_color 颜色)

很明显ATTR_COLOR就是我们今天的目标

弄清楚顶点格式后,下一步是找到填充这些数据的地方。
顶点数据保存于RenderData,这三个数据是分开填充的,避免有些时候只需要更新其中一个(如只是移动了位置),却要全部更新一遍。顶点数据填充时,是按定义好的顺序填充的,此处引用论坛文章的图:
image
由于我们只是去除最后的color,所以位置和uv的填充函数是不需要修改的(在一个顶点数据中的相对位置没有发生改变)。

找出颜色填充函数,updateColor函数声明于assembler-2d.js。

updateColor (comp, color) {
    let uintVerts = this._renderData.uintVDatas[0];
    if (!uintVerts) return;
    color = color != null ? color : comp.node.color._val;
    let floatsPerVert = this.floatsPerVert;
    let colorOffset = this.colorOffset;
    for (let i = colorOffset, l = uintVerts.length; i < l; i += floatsPerVert) {
        uintVerts[i] = color;
    }
}

函数中将颜色值填充在每个顶点数据的末尾(position和uv之后)。我们需要修改updateColor函数,因为不再需要填充颜色值了

实现思路

看完又是要改源码了。不过还是可以通过继承相关类实现。继承方案相对来说会比较麻烦,但在实验阶段需要频繁修改时会更方便快速。

我们需要自定义Sprite、Assembler、Material、Effect。分别命名为NoColorSprite、NoColorSpriteAssembler、noColorMaterial、noColorEffect。

需求可拆分为如下实现步骤:

  1. 新建noColorEffect及noColorMaterial,在内置的代码基础上,去除颜色相关内容。
  2. 新建NoColorSpriteAssembler,新建顶点格式,并重写/实现渲染数据填充的相关函数。
  3. 新建NoColorSprite,将默认的assembler改为我们自己的NoColorSpriteAssembler。

代码

第一步是effect和material,主要工作是删代码(颜色相关的)… 新建的material只要将effect引用改为noColorEffect即可。

// 删除颜色相关输入输出处理
CCProgram vs %{
  precision highp float;

  #include <cc-global>
  #include <cc-local>

  in vec3 a_position;

  #if USE_TEXTURE
  in vec2 a_uv0;
  out vec2 v_uv0;
  #endif

  void main () {
    vec4 pos = vec4(a_position, 1);

    #if CC_USE_MODEL
    pos = cc_matViewProj * cc_matWorld * pos;
    #else
    pos = cc_matViewProj * pos;
    #endif

    #if USE_TEXTURE
    v_uv0 = a_uv0;
    #endif


    gl_Position = pos;
  }
}%

// 删除颜色相关输入处理 输出颜色直接取像素颜色
CCProgram fs %{
  precision highp float;
  
  #include <alpha-test>
  #include <texture>

  #if USE_TEXTURE
  in vec2 v_uv0;
  uniform sampler2D texture;
  #endif

  void main () {
    vec4 o = vec4(1, 1, 1, 1);

    #if USE_TEXTURE
      CCTexture(texture, v_uv0, o);
    #endif

    ALPHA_TEST(o);

    gl_FragColor = o;
  }
}%

接着,创建NoColorSpriteAssembler.js,自定义顶点格式,去掉默认的颜色字段

let gfx = cc.gfx;
let vfmtNoColor = new gfx.VertexFormat([
    { name: gfx.ATTR_POSITION, type: gfx.ATTR_TYPE_FLOAT32, num: 2 },
    { name: gfx.ATTR_UV0, type: gfx.ATTR_TYPE_FLOAT32, num: 2 },        // texture纹理uv
]);

我们只是想去除颜色,可以通过继承cc.Assembler实现noColorMaterial,其他渲染相关代码则可以从Assembler2D及SimpleSpriteAssembler中复制。这里贴出主要的代码。

因为我们修改了顶点格式,需要同步修改相关值。这里重写构造函数进行修改。
floatsPerVert是顶点格式数据长度(用浮点数计算),原本是5个浮点数,这里去掉了颜色,所以改为4。其他数据照抄Assembler2D中的值即可。

export default class NoColorAssembler extends cc.Assembler {
    constructor () {
        super();

        // uv在顶点数据中的偏移位置(前面有两个float的值表示position)
        this.uvOffset = 2;
        // 每个顶点的浮点数数量(position 2浮点数,uv 2浮点数)
        this.floatsPerVert = 4;

        // 顶点数量 (可以用4个点来表示两个三角形)
        this.verticesCount = 4;
        // 顶点索引数量 (两个三角形共6个顶点索引) 这个部分可以看链接中的文章有说明。
        this.indicesCount = 6;

        this.initData();
        this.initLocal();
    }
}

修改顶点数据格式后,我们需要一个不一样的RenderData来存储这些数据,模仿Assembler2D实现initData函数,在里面按我们定义的格式创建RenderData

/**
* 初始化this._renderData 仿照Assembler2D.initData 创建自定义格式的renderData
*/
initData () {
    let data = this._renderData = new cc.RenderData();
    this._renderData.init(this);
    
    // 按我们自己的格式创建RenderData
    data.createFlexData(0, this.verticesCount, this.indicesCount, this.getVfmt());
    
    // createFlexData不会填充顶点索引信息,手动补充一下 仿照cc.RenderData.initQuadIndices
    let indices = data.iDatas[0];
    let count = indices.length / 6;
    for (let i = 0, idx = 0; i < count; i++) {
        let vertextID = i * 4;
        indices[idx++] = vertextID;
        indices[idx++] = vertextID+1;
        indices[idx++] = vertextID+2;
        indices[idx++] = vertextID+1;
        indices[idx++] = vertextID+3;
        indices[idx++] = vertextID+2;
    }
}

再之后是本文的重点,把颜色的填充功能去掉

/**
* 更新颜色 啥也不干😆
*/
updateColor () {
}

最后,改动顶点数据格式后还有一些需要同步修改的地方。

/**
* 获得存放自定义顶点数据的buffer
* @returns {cc.MeshBuffer}
*/
getBuffer() {
    return cc.renderer._handle.getBuffer("mesh", this.getVfmt());
}
/**
* 获得顶点数据格式
* 重写 返回自定义的顶点数据格式
* @returns {cc.gfx.VertexFormat}
*/
getVfmt () {
    return vfmtNoColor;
}

代码有点长,没有全部贴出来。可以在后面的源码附件中查看,其他函数基本是从Assembler2D及SimpleSpriteAssembler复制出来的。

最最最后,如果产生一些如继承、函数为空之类的报错,可以在creator.d.ts文件中增加以下声明。

declare namespace cc {
	export class Assembler {
		public _renderComp: cc.RenderComponent;
		public init(comp: cc.RenderComponent);
		public getVfmt();
		static public register(renderCompCtor, assembler);
	}
	export class RenderData {
		init(assembler: cc.Assembler);
		createQuadData(index, verticesFloats, indicesCount);
		createFlexData(index, verticesFloats, indicesCount, vfmt): cc.FlexBuffer;
		initQuadIndices(idata);

		vDatas;
		uintVDatas;
		iDatas;
		meshCount: number;
		_infos;
		_flexBuffer;
	}
}

效果对比

测试案例


一个sprite,复制200次。分别使用默认的cc.Sprite和我们实现的NoColorSprite。
使用console.time函数结合cc.Director中的EVENT_BEFORE_UPDATE、EVENT_AFTER_UPDATE、EVENT_AFTER_DRAW事件统计前两百帧的游戏逻辑耗时及渲染耗时。

耗时对比如下:



绿色线为优化前,蓝色线为优化后。可以看出均有一定程度的减少。

render耗时由于前几帧较高,图表看起来比较奇怪,再贴一张去掉前三帧的对比图。

总结

简单来说,少了1/5的数据传输量,material中也不需要计算颜色,优化效果是可想而知的。

本优化并不适用于所有项目,由于颜色数据被去除了,透明度作为颜色值的其中一项,也不再生效了。图片本身的透明度会被保留,但无法再通过修改节点的透明度进行动态修改。

性能优化系列会有多篇文章,目前规划如下(不分先后):

其中除了列表渲染优化以外,优化思路都源于江南百景图的分享文章。

相关链接

测试项目源码 (2.0 MB)

官方文档-自定义渲染

如何重绘「江南百景图」?近300页 PPT 免费分享!
【分享】自定义渲染合批之自定义顶点格式(附 Demo 和引擎源码解读)
cocos creator 2.4.0 渲染流程详解
游戏开发教程 | 10堂课入门 Cocos Creator Shader | 新手学习路线推荐

14赞

好人 一生平安

请教下楼主的耗时对比是怎么实现的?用的什么工具?

  1. 使用文中提到的方法打印时间

  2. 对打印出来的数据进行提取(xxx ms)

  3. 使用echarts在线编辑作图

大佬,能否邀请您解答一下我的帖子

哦哦 原来如此 谢谢

是否可以按需处理?比如在重写updateColor函数的时候加个判断,如果图片颜色有修改的执行updateColor内容,如果没有进行修改的那么return掉。

你是说,不用文中的方法,然后将逻辑改成有颜色改变的时候,才更新数据是吗?
如果是这样的话,引擎默认是有这个逻辑的。但这是减少了颜色未改变时的运算量,渲染时仍然需要传递颜色数据给gpu。

/**
* 重置assembler
* 重写 将assembler改为NoColorSpriteAssembler
*/
_resetAssembler() {
let assembler = this._assembler = new NoColorSpriteAssembler();
assembler.init(this);

    this.setVertsDirty();
}

请问下,这个每次都会去new 一个Assembler出来,我看源码,它是有去判断取对象池的,这个会有影响吗?

会有一些影响,你也可以把新的assembler放到对象池中,对象池实例可以通过cc.pool取到。
感谢补充,先前还没有注意到这个。